최근 인구 고령화 및 스포츠 활동 증가로 인한 퇴행성 질환, 근육파열 및 인대 손상 등의 정형외과 질환 환자수가 급격히 증가하고 있으며, 이와 관련된 관절보존 의료기기에 대한 수요가 급증하고 있다. 관절보존용 초음파 융착 시스템에서 앵커 융착을 위해서는 혼에 진동을 발생시켜 앵커에 직접 접촉하기 때문에 시술 시 압력을 인가해주는 것이 불가피하다. 초음파를 발생시키는 압전 소자는 압력 변동에 따라 파라메터 값이 변동하므로, 이에 따라 앵커 융착 시술 시 압전 소자 공진 주파수가 불규칙적이고 연속적으로 변할 수밖에 없다는 것을 유추할 수 있다. 이에 따른 압전 소자에 최대 전력을 전달할 수 있는 공진점 추종이 상당히 중요한 메커니즘으로 작용한다. 또한 초음파를 이용한 앵커 융착 시스템에서는 앵커의 융착 시간이 매우 중요한 요소인데, 이는 높은 온도로 인한 뼈의 괴사 및 조직 손상을 방지하기 위해서이다. 앵커 융착은 ...
최근 인구 고령화 및 스포츠 활동 증가로 인한 퇴행성 질환, 근육파열 및 인대 손상 등의 정형외과 질환 환자수가 급격히 증가하고 있으며, 이와 관련된 관절보존 의료기기에 대한 수요가 급증하고 있다. 관절보존용 초음파 융착 시스템에서 앵커 융착을 위해서는 혼에 진동을 발생시켜 앵커에 직접 접촉하기 때문에 시술 시 압력을 인가해주는 것이 불가피하다. 초음파를 발생시키는 압전 소자는 압력 변동에 따라 파라메터 값이 변동하므로, 이에 따라 앵커 융착 시술 시 압전 소자 공진 주파수가 불규칙적이고 연속적으로 변할 수밖에 없다는 것을 유추할 수 있다. 이에 따른 압전 소자에 최대 전력을 전달할 수 있는 공진점 추종이 상당히 중요한 메커니즘으로 작용한다. 또한 초음파를 이용한 앵커 융착 시스템에서는 앵커의 융착 시간이 매우 중요한 요소인데, 이는 높은 온도로 인한 뼈의 괴사 및 조직 손상을 방지하기 위해서이다. 앵커 융착은 마찰열을 이용하여 앵커를 액상화 시키기 때문에 융착 시간이 길어질수록 앵커와 뼈의 마찰 시간도 증가하게 된다. 이것은 앵커와 뼈가 마찰되는 부분의 온도 또한 증가 하게 된다는 결과로 이어지게 된다. 즉, 앵커 융착 속도를 높이고 압전 소자의 무효전력에 의한 온도 상승을 줄이기 위해서 초음파 진동을 발생시키는 압전 소자에 최대 전력을 전달할 수 있는 공진점을 최단시간에 추종하여 시술을 마쳐야 한다. 기존의 일반적인 공진 주파수 추종 방법들은 PI제어기를 비롯한 각종 전류, 전압 센서 등의 특성에 따라 공진 주파수를 추종 하는데 수십~수백[ms]의 시간이 소요된다. 또한 LC필터 및 압전 소자 등가모델의 병렬 캐패시터를 포함한 전체 시스템의 공진 주파수를 추종하는 방식이기 때문에 전력변환기 관점에서 소프트 스위칭이 이루어질 수 있는 공진 주파수 추종 방법이다. 이에 따라 압전 소자에 최대 전력을 전달할 수 있는 공진 주파수 추종 방법이라고 보기 어렵다. 본 논문에서는 압전 소자에 최대 전력을 전달하기 위한 공진 주파수를 추종하기 위하여 압전 소자의 등가모델 분석, 공진 특성에 대한 해석 및 LC필터와 압전 소자의 기계적 출력에 영향을 미치는 직렬 RLC회로의 임피던스 분석을 하여 시스템을 설계 하였다. 이를 통하여 검출 가능한 데이터인 시스템 공진 주파수 및 인버터 위상차 값과 압전 소자의 공진 주파수 이 3가지 데이터의 관계를 해석하여 커브피팅을 통한 제어 알고리즘을 적용하였다. 그 결과 초음파 제네레이터 전체 시스템의 공진 주파수를 검출 및 인버터 위상차 정보를 이용하여 실제 압전 소자에 최대 전력을 전달하기 위한 공진 주파수를 추종할 수 있게 하였다. 제안하는 알고리즘의 타당성을 검증하기 위하여 시스템 공진 주파수, 압전 소자 공진 주파수, 인버터 위상차에 관한 양상을 분석 및 LC필터를 설계하기 위한 파라메터 값 선정을 위해서 MATLAB시뮬레이션을 진행 하였다. 또한 압전 소자의 설계 데이터를 기준으로 LC필터 조건에 따른 시스템 공진 주파수, 압전 소자 공진 주파수, 인버터 위상차의 관계를 확인하기 위한 시뮬레이션 또한 진행 하였다. 이를 토대로 의료용 관절보존 초음파 융착 시스템에 적합한 공진 주파수 추종 방법을 제안하였으며, 시스템 공진 주파수, 인버터 위상차를 이용한 압전 소자 공진 주파수 추종 방법을 시뮬레이션과 실험을 통하여 시스템을 검증 하였다. 제안된 알고리즘을 통하여 압전 소자 공진 주파수 추종 속도를 향상 시켰으며, 기존 공진 추종 방식 대비 앵커 융착 속도가 2.33 배 향상에도 불구하고 온도는 약 6[℃] 감소하는 효과를 얻었다. 따라서 앵커 융착 온도와 융착 시간의 감소를 통해 의료용 초음파 시스템에 적합한 알고리즘이라는 것을 실험을 통하여 그 타당성을 검증 하였다.
최근 인구 고령화 및 스포츠 활동 증가로 인한 퇴행성 질환, 근육파열 및 인대 손상 등의 정형외과 질환 환자수가 급격히 증가하고 있으며, 이와 관련된 관절보존 의료기기에 대한 수요가 급증하고 있다. 관절보존용 초음파 융착 시스템에서 앵커 융착을 위해서는 혼에 진동을 발생시켜 앵커에 직접 접촉하기 때문에 시술 시 압력을 인가해주는 것이 불가피하다. 초음파를 발생시키는 압전 소자는 압력 변동에 따라 파라메터 값이 변동하므로, 이에 따라 앵커 융착 시술 시 압전 소자 공진 주파수가 불규칙적이고 연속적으로 변할 수밖에 없다는 것을 유추할 수 있다. 이에 따른 압전 소자에 최대 전력을 전달할 수 있는 공진점 추종이 상당히 중요한 메커니즘으로 작용한다. 또한 초음파를 이용한 앵커 융착 시스템에서는 앵커의 융착 시간이 매우 중요한 요소인데, 이는 높은 온도로 인한 뼈의 괴사 및 조직 손상을 방지하기 위해서이다. 앵커 융착은 마찰열을 이용하여 앵커를 액상화 시키기 때문에 융착 시간이 길어질수록 앵커와 뼈의 마찰 시간도 증가하게 된다. 이것은 앵커와 뼈가 마찰되는 부분의 온도 또한 증가 하게 된다는 결과로 이어지게 된다. 즉, 앵커 융착 속도를 높이고 압전 소자의 무효전력에 의한 온도 상승을 줄이기 위해서 초음파 진동을 발생시키는 압전 소자에 최대 전력을 전달할 수 있는 공진점을 최단시간에 추종하여 시술을 마쳐야 한다. 기존의 일반적인 공진 주파수 추종 방법들은 PI제어기를 비롯한 각종 전류, 전압 센서 등의 특성에 따라 공진 주파수를 추종 하는데 수십~수백[ms]의 시간이 소요된다. 또한 LC필터 및 압전 소자 등가모델의 병렬 캐패시터를 포함한 전체 시스템의 공진 주파수를 추종하는 방식이기 때문에 전력변환기 관점에서 소프트 스위칭이 이루어질 수 있는 공진 주파수 추종 방법이다. 이에 따라 압전 소자에 최대 전력을 전달할 수 있는 공진 주파수 추종 방법이라고 보기 어렵다. 본 논문에서는 압전 소자에 최대 전력을 전달하기 위한 공진 주파수를 추종하기 위하여 압전 소자의 등가모델 분석, 공진 특성에 대한 해석 및 LC필터와 압전 소자의 기계적 출력에 영향을 미치는 직렬 RLC회로의 임피던스 분석을 하여 시스템을 설계 하였다. 이를 통하여 검출 가능한 데이터인 시스템 공진 주파수 및 인버터 위상차 값과 압전 소자의 공진 주파수 이 3가지 데이터의 관계를 해석하여 커브피팅을 통한 제어 알고리즘을 적용하였다. 그 결과 초음파 제네레이터 전체 시스템의 공진 주파수를 검출 및 인버터 위상차 정보를 이용하여 실제 압전 소자에 최대 전력을 전달하기 위한 공진 주파수를 추종할 수 있게 하였다. 제안하는 알고리즘의 타당성을 검증하기 위하여 시스템 공진 주파수, 압전 소자 공진 주파수, 인버터 위상차에 관한 양상을 분석 및 LC필터를 설계하기 위한 파라메터 값 선정을 위해서 MATLAB 시뮬레이션을 진행 하였다. 또한 압전 소자의 설계 데이터를 기준으로 LC필터 조건에 따른 시스템 공진 주파수, 압전 소자 공진 주파수, 인버터 위상차의 관계를 확인하기 위한 시뮬레이션 또한 진행 하였다. 이를 토대로 의료용 관절보존 초음파 융착 시스템에 적합한 공진 주파수 추종 방법을 제안하였으며, 시스템 공진 주파수, 인버터 위상차를 이용한 압전 소자 공진 주파수 추종 방법을 시뮬레이션과 실험을 통하여 시스템을 검증 하였다. 제안된 알고리즘을 통하여 압전 소자 공진 주파수 추종 속도를 향상 시켰으며, 기존 공진 추종 방식 대비 앵커 융착 속도가 2.33 배 향상에도 불구하고 온도는 약 6[℃] 감소하는 효과를 얻었다. 따라서 앵커 융착 온도와 융착 시간의 감소를 통해 의료용 초음파 시스템에 적합한 알고리즘이라는 것을 실험을 통하여 그 타당성을 검증 하였다.
Recently, the number of patients with orthopedic diseases such as degenerative diseases, muscle rupture and ligament damage due to an aging population and increase in sports activities is rapidly increasing. For anchor welding in the ultrasonic welding system for joint preservation, it is inevitable...
Recently, the number of patients with orthopedic diseases such as degenerative diseases, muscle rupture and ligament damage due to an aging population and increase in sports activities is rapidly increasing. For anchor welding in the ultrasonic welding system for joint preservation, it is inevitable to apply pressure during the procedure because it directly contacts the anchor by generating vibrations in the horn. Since the parameter value of the piezoelectric element that generates ultrasonic waves varies according to pressure fluctuations, it can be inferred that the resonant frequency of the piezoelectric element is inevitably changed irregularly and continuously during the anchor fusion procedure. Accordingly, the resonance point tracking that can transmit the maximum power to the piezoelectric element acts as a important mechanism. In addition, in the anchor fusion system using ultrasound, the anchor fusion time is a important factor, which is to prevent bone necrosis and tissue damage due to high temperature. Since anchor fusion uses frictional heat to liquefy the anchor, the longer the fusion time, the longer the friction time between the anchor and the bone. This leads to the result that the temperature of the area where the anchor and the bone rub is also increased. That is, in order to increase the anchor fusion speed and reduce the temperature rise due to the reactive power of the piezoelectric element, the treatment must be completed by following the resonance point that can deliver the maximum power to the piezoelectric element that generates ultrasonic vibration in the shortest time. Existing general resonant frequency tracking methods take tens to hundreds of [ms] time to follow the resonant frequency according to the characteristics of various current and voltage sensors, including the PI controller. In addition, since it is a method of tracking the resonance frequency of the entire system including the parallel capacitor of the LC filter and the piezoelectric element equivalent model, it is a resonance frequency tracking method that can perform soft switching from the viewpoint of the power converter. Accordingly, it is difficult to see the method as a resonant frequency tracking method capable of delivering maximum power to the piezoelectric element. In this paper, in order to follow the resonance frequency to deliver the maximum power to the piezoelectric element, the equivalent model analysis of the piezoelectric element, the analysis of the resonance characteristic, and the impedance analysis of the LC filter and the series RLC circuit affecting the mechanical output of the piezoelectric element are performed. to design the system. Through this, a control algorithm through curve fitting was applied by analyzing the relationship between the three data, the system resonance frequency and inverter phase difference value, which are detectable data, and the resonance frequency of the piezoelectric element. As a result, it was possible to track the resonance frequency for delivering the maximum power to the actual piezoelectric element by detecting the resonance frequency of the entire ultrasonic generator system and using the inverter phase difference information. In order to verify the validity of the proposed algorithm, MATLAB simulation was performed to analyze the system resonance frequency, piezoelectric element resonance frequency, and inverter phase difference and to select parameter values for designing the LC filter. In addition, based on the design data of the piezoelectric element, a simulation was also conducted to confirm the relationship between the system resonance frequency, the piezoelectric element resonance frequency, and the inverter phase difference according to the LC filter conditions. Based on this, a resonant frequency tracking method suitable for the medical joint preservation ultrasonic fusion system was proposed, and the piezoelectric element resonant frequency tracking method using the system resonant frequency and inverter phase difference was verified through simulations and experiments. Through the proposed algorithm, the piezoelectric element resonant frequency tracking speed was improved, and the temperature was reduced by about 6[℃] despite the 2.33 times improvement in anchor fusion speed compared to the existing resonant tracking method. Therefore, the validity of the algorithm was verified through experiments that it is an algorithm suitable for the medical ultrasound system by reducing the anchor welding temperature and welding time.
Recently, the number of patients with orthopedic diseases such as degenerative diseases, muscle rupture and ligament damage due to an aging population and increase in sports activities is rapidly increasing. For anchor welding in the ultrasonic welding system for joint preservation, it is inevitable to apply pressure during the procedure because it directly contacts the anchor by generating vibrations in the horn. Since the parameter value of the piezoelectric element that generates ultrasonic waves varies according to pressure fluctuations, it can be inferred that the resonant frequency of the piezoelectric element is inevitably changed irregularly and continuously during the anchor fusion procedure. Accordingly, the resonance point tracking that can transmit the maximum power to the piezoelectric element acts as a important mechanism. In addition, in the anchor fusion system using ultrasound, the anchor fusion time is a important factor, which is to prevent bone necrosis and tissue damage due to high temperature. Since anchor fusion uses frictional heat to liquefy the anchor, the longer the fusion time, the longer the friction time between the anchor and the bone. This leads to the result that the temperature of the area where the anchor and the bone rub is also increased. That is, in order to increase the anchor fusion speed and reduce the temperature rise due to the reactive power of the piezoelectric element, the treatment must be completed by following the resonance point that can deliver the maximum power to the piezoelectric element that generates ultrasonic vibration in the shortest time. Existing general resonant frequency tracking methods take tens to hundreds of [ms] time to follow the resonant frequency according to the characteristics of various current and voltage sensors, including the PI controller. In addition, since it is a method of tracking the resonance frequency of the entire system including the parallel capacitor of the LC filter and the piezoelectric element equivalent model, it is a resonance frequency tracking method that can perform soft switching from the viewpoint of the power converter. Accordingly, it is difficult to see the method as a resonant frequency tracking method capable of delivering maximum power to the piezoelectric element. In this paper, in order to follow the resonance frequency to deliver the maximum power to the piezoelectric element, the equivalent model analysis of the piezoelectric element, the analysis of the resonance characteristic, and the impedance analysis of the LC filter and the series RLC circuit affecting the mechanical output of the piezoelectric element are performed. to design the system. Through this, a control algorithm through curve fitting was applied by analyzing the relationship between the three data, the system resonance frequency and inverter phase difference value, which are detectable data, and the resonance frequency of the piezoelectric element. As a result, it was possible to track the resonance frequency for delivering the maximum power to the actual piezoelectric element by detecting the resonance frequency of the entire ultrasonic generator system and using the inverter phase difference information. In order to verify the validity of the proposed algorithm, MATLAB simulation was performed to analyze the system resonance frequency, piezoelectric element resonance frequency, and inverter phase difference and to select parameter values for designing the LC filter. In addition, based on the design data of the piezoelectric element, a simulation was also conducted to confirm the relationship between the system resonance frequency, the piezoelectric element resonance frequency, and the inverter phase difference according to the LC filter conditions. Based on this, a resonant frequency tracking method suitable for the medical joint preservation ultrasonic fusion system was proposed, and the piezoelectric element resonant frequency tracking method using the system resonant frequency and inverter phase difference was verified through simulations and experiments. Through the proposed algorithm, the piezoelectric element resonant frequency tracking speed was improved, and the temperature was reduced by about 6[℃] despite the 2.33 times improvement in anchor fusion speed compared to the existing resonant tracking method. Therefore, the validity of the algorithm was verified through experiments that it is an algorithm suitable for the medical ultrasound system by reducing the anchor welding temperature and welding time.
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